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Die Erfindung betrifft thermisch auslösendes Sicherheitsventil für einen Druckgasspeicher zur Speicherung von Gas unter hohem Druck, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines derartigen Sicherheitsventils sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Auslöseelements für ein derartiges Sicherheitsventil.
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Die Absicherung von Druckgasbehältern zur Speicherung von Gas unter hohem Druck, beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von 700 bar, sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Ihre Aufgabe ist es beispielsweise für den Fall einer Druckerhöhung durch eine Erwärmung des Druckgasbehälters, wie sie insbesondere bei einem Brand auftreten kann, eine Abblasöffnung freizugeben, um das Gas aus dem Druckgasbehälter abzulassen, bevor dieser aufgrund eines extremen Druckanstiegs explodiert.
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Ein gattungsgemäß thermisch auslösendes Sicherheitsventil beschreibt beispielsweise die
DE 199 11 530 A1 . Die dort beschriebene Sicherheitsvorrichtung ist dabei zwischenzeitlich allgemein bekannt und üblich. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Auslöseelement in Form eines Berstkörpers, insbesondere in Form einer flüssigkeitsgefüllten Glasampulle. Die Flüssigkeit in dieser Glasampulle hat einen sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder siedet sehr schnell und entwickelt dabei durch die entstehenden Gasblasen einen Überdruck. Kommt es nun zu einer thermischen Überhitzung im Bereich des Sicherheitsventils, dann wird der Berstkörper durch den sich entwickelnden Innendruck in der Glasampulle zerstört. Der Berstkörper als Auslöseelement gibt dann einen Verschlusskörper bzw. Stopfen frei, welcher von dem Innendruck in dem Druckgasbehälter aus einer die Abblasöffnung bildenden Leitung, welche er verschlossen hatte, bewegt wird. Durch die so entstehende Öffnung wird das Gas aus dem Druckgasbehälter abgelassen, und der Überdruck kann sich abbauen, bevor eine potenzielle Explosionsgefahr besteht.
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in der Praxis hat sich nun gezeigt, dass derartige Sicherheitsventile mit Auslöseelementen in Form von Berstkörpern aus einer mit Flüssigkeit gefüllten Glasampulle vergleichsweise empfindlich sind. Dies gilt insbesondere für eventuelle Stöße oder Vibrationen, welche bei der Montage und/oder im Betrieb des Druckgasbehälters bzw. der mit ihm verbundenen Sicherheitsventile auftreten. Insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, in welchem Vibrationen und Stöße kaum zu vermeiden sind, stellt dies einen Nachteil dar. Außerdem kann es im Falle einer sehr starken Beschleunigung des Sicherheitsventils, beispielsweise im Falle eines Unfalls, zu einem Auslösen kommen, ohne dass dies notwendig wäre, weil beispielsweise keine thermische Belastung durch einen Brand vorliegt. Diese Punkte haben sich in der Praxis als nachteilig herausgestellt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes thermisch auslösendes Sicherheitsventil anzugeben, welches insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, eine bevorzugte Verwendung anzugeben sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Auslöseelements für ein erfindungsgemäßes Sicherheitsventil.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Sicherheitsventil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Eine besonders bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 5 angegeben. Ein Verfahren zur Herstellung eines Auslöseelements für ein derartiges erfindungsgemäßes Sicherheitsventil ergibt sich aus den Merkmalen im Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen thermisch auslösenden Sicherheitsventil entspricht der Aufbau weitgehend dem, welcher aus dem eingangs genannten gattungsgemäßen Stand der Technik bekannt ist. Über ein Auslöseelement wird auch hier ein Stopfen in der Abblasöffnung gehalten, welcher dann im Bedarfsfall durch den Druck in dem Druckgasbehälter aus der Abblasöffnung bewegt werden kann, wenn das Auslöseelement sich entsprechend verändert. Anstelle der empfindlichen Glasampulle als Berstkörper wird bei dem erfindungsgemäßen Sicherheitsventil nun ein Auslöseelement aus einem Formgedächtnismaterial eingesetzt, welches, wie es für Formgedächtnismateriale üblich ist, seine Form oberhalb einer Grenztemperatur ändert. Über einen solchen Aufbau aus einem Formgedächtnismaterial kann ein sehr sicherer und zuverlässiger Aufbau erreicht werden. Das Formgedächtnismaterial, welches beispielsweise als metallische Legierung oder auch als thermoplastisches Polyurethan ausgebildet sein kann, weist in seinem ersten Zustand eine Form auf, welche den Stopfen sicher in der Abblasöffnung hält. Dieser Aufbau ist sehr stabil und kann auch durch entsprechende Stöße, Vibrationen und dergleichen typischerweise nicht ausgelöst werden. Der Aufbau ist somit sehr sicher und zuverlässig sowohl in der Montage als auch im Betrieb, auch unter widrigen Bedingungen, beispielsweise beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, welches hohen Temperaturschwankungen, hohen Vibrationen und gegebenenfalls hohen Beschleunigungen durch Schläge, Stöße oder Unfälle ausgesetzt sein kann. In all diesen Situationen soll das thermisch auslösende Sicherheitsventil nicht auslösen, was durch den sehr stabilen Aufbau des Formgedächtnismaterials als Auslöseelement zuverlässig erreicht wird. Erst wenn eine erhöhte Temperatur im Bereich des thermisch auslösenden Sicherheitsventils auftritt, beispielsweise durch einen Brand im Bereich des Druckgasbehälters, welcher beim Einsatz in einem Fahrzeug insbesondere durch einen Unfall verursacht sein kann, dann wird das Auslöselement aus dem Formgedächtnismaterial entsprechend erwärmt und ändert seine Form in eine zuvor in das Auslöseelement bei der Herstellung eingeprägte bzw. eingespeicherte Form. Diese Form ist dabei so gewählt, dass beispielsweise durch eine Verkürzung und Verbreiterung des Auslöseelements ausreichend Raum freigegeben wird, sodass der Druck in dem Druckgasbehälter den Stopfen aus der Abblasöffnung herausdrücken und das Gas entsprechend abströmen kann.
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Wie bereits erwähnt kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Formgedächtnismaterial in Form einer metallischen Legierung ausgebildet ist. Solche metallische Legierungen als Formgedächtnismaterialen bzw. Formgedächtnislegierungen sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden im deutschen Sprachraum auch häufig als Memorymetalle bezeichnet. Typischerweise sind die entsprechenden Metalle dabei als Legierungen auf der Basis von Nickel und Titan ausgebildet, beispielsweise das sehr bekannte allgemein als Nitinol bezeichnete Material. Auch der Zusatz von Kupfer ist denkbar. Ebenso gibt es Kupfer-Zink bzw. Kupfer-Zink-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Aluminium-Nickellegierungen, oder Eisenlegierungen beispielsweise Eisen-Nickel-Aluminium oder Eisen-Mangan-Silizium. Auch Materialien wie Zink, Gold, Kupfer sind im Prinzip denkbar, sind jedoch zum Teil vergleichsweise teuer.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann anstelle der typischerweise sehr robusten metallischen Formgedächtnislegierungen auch ein Formgedächtnismaterial eingesetzt werden, welches auf der Basis von Kunststoff ausgebildet ist. Hierfür bietet sich insbesondere sogenanntes thermoplastisches Polyurethan an. Hinsichtlich dieses Materials soll auf die Veröffentlichung „Ein Kunststoff, der sich erinnert", Jürgen Hättig, Wolfgang Brauer, Thorsten Pretsch, Der Konstrukteur 4/2013, Seiten 92 ff., hingewiesen werden.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils kann es ferner vorgesehen sein, dass das Formgedächtnismaterial ein Formgedächtnismaterial mit einem Einweg-Memoryeffekt ist. Ein solcher Einweg-Memoryeffekt lässt sich typischerweise sehr viel leichter realisieren als ein Zweiweg-Memoryeffekt, bei welchem das Formgedächtnismaterial unterhalb der Grenztemperatur wieder in die ursprüngliche Form zurückfällt. Dies ist bei dem hier ausgebildeten Aufbau weder gewünscht noch notwendig. Es reicht vielmehr aus, um die Funktionsweise eines Berstkörpers als Auslöselement nachzubilden, wenn ab einer bestimmten Grenztemperatur die Form des Auslöseelements sich so ändert, dass der Stopfen freigegeben wird. Bei einem Absinken der Temperatur muss sich die Form nicht wieder zurückändern, da hier typischerweise der Druckgasbehälter ohnehin leer ist, und da insbesondere, für den Fall, dass er dies nicht ist, auch kein zuverlässiges Wiedereinschieben des Stopfens in die Abblasöffnung erzielt werden kann. Vielmehr ist es aus Sicherheitsgründen ohnehin wünschenswert, dass nach dem Auslösen des Sicherheitsventils der Tank vollständig entleert wird. Ein Einweg-Memoryeffekt bei dem Material für den Auslösekörper in dem erfindungsgemäßen Sicherheitsventil ist somit nicht nur völlig ausreichend, sondern sogar von Vorteil, sodass der Auslösekörper entsprechend einfach realisiert werden kann.
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Wie bereits erwähnt ermöglicht ein erfindungsgemäßes Sicherheitsventil mit dem beschriebenen Auslösekörper aus dem Formgedächtnismaterial einen sehr sicheren und zuverlässigen Einsatz und gewährleistet ein sicheres Verschließen des Sicherheitsventils, solange dies nicht auslösen soll, aber gegebenenfalls Vibrationen und Stößen ausgesetzt ist. Ein solcher Einsatz mit Vibrationen, Stößen und relativ großen Temperaturänderungen tritt insbesondere in der Anwendung in einem Kraftfahrzeug auf. Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils liegt daher in ihrem Einsatz in einem Druckgasbehälter zur Speicherung von gasförmigem Kraftstoff in einem Fahrzeug. Gasförmiger Kraftstoff in einem Fahrzeug kann dabei beispielsweise komprimiertes Erdgas oder Wasserstoff sein, welcher einem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Insbesondere bei der besonders bevorzugten Verwendung des Druckgasbehälters zur Speicherung von Wasserstoff kann dieser Wasserstoff auch in einer Brennstoffzelle in elektrische Antriebsleistung umgesetzt werden, sodass das Fahrzeug in diesem Fall als sogenanntes Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist.
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Das Auslöseelement für das erfindungsgemäße thermisch auslösende Sicherheitsventil kann nun bevorzugt so hergestellt werden, dass dem Auslöseelement nach der Fertigung mittels Wärmebehandlung eine erste vorbestimmte Geometrie eingeprägt wird, in welcher es den Stopfen in einem späteren Sicherheitsventil freigibt, wonach das Auslöseelement in eine zweite vorbestimmte Geometrie umgeformt wird, in welchem es den Stopfen in seiner ersten Position hält. Diese Herstellung ist besonders einfach und effizient. Dem Material wird durch Wärmebehandlung in der zur Auslösung gewünschten Form diese Form wird in an sich bekannter Art in dem Material eingeprägt bzw. eingespeichert. Danach wird das Material umgeformt, beispielsweise durch Biegen oder Schmieden, insbesondere im Falle einer metallischen Legierung für das Formgedächtnismaterial. Die neu entstehende Form bzw. Geometrie ermöglicht dann die Montage in dem Sicherheitsventil so, dass der Stopfen in der Abblasöffnung sicher und zuverlässig gehalten wird. Steigt die Temperatur über einen vorgegebenen Grenzwert an, dann „erinnert” das Auslöseelement sich an die erste Geometrie und nimmt diese wieder ein. Der Stopfen wird freigegeben und das thermisch auslösende Sicherheitsventil löst aus. Das Gas aus dem Druckgasbehälter kann dann durch die Abblasöffnung abströmen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils, seiner Verwendung und/oder des Herstellungsverfahrens für sein Auslöseelement ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand es Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Druckgasbehälter;
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2 eine Prinzipdarstellung eines thermisch auslösenden Sicherheitsventils;
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3 eine Darstellung des Auslöseelements aus dem Sicherheitsventil gemäß 2 in zwei unterschiedlichen Zuständen; und
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4 das Sicherheitsventil analog zur Darstellung in 2 im ausgelösten Zustand.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Brennstoffzelle 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden soll. Über eine Leistungselektronik 3 wird die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung aufbereitet und einem angedeuteten Fahrmotor 4 des Fahrzeugs 1 zugeführt. Die Brennstoffzelle 2 kann in an sich bekannter Art und Weise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack 2, aufgebaut sein. Dieser Brennstoffzellenstack 2 umfasst im Bereich jeder der Einzelzellen einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich. Beispielhaft ist ein gemeinsamer Kathodenraum 5 und ein gemeinsamer Anodenraum 6 beispielhaft angedeutet. Dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 7 zugeführt. Dem Anodenraum 6 wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt, welcher in einem Druckgasspeicher 8 in dem Fahrzeug 1 gespeichert ist. Über ein typischerweise mit dem Druckgasspeicher 8 verbundenes Ventil 9, ein sogenanntes On-Tank-Valve, welches direkt mit dem Druckgasspeicher verschraubt ausgeführt ist, wird der Wasserstoff direkt oder über weitere Ventileinrichtungen, Aufbreitungseinrichtungen und dergleichen der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Für die hier vorliegende Erfindung ist dabei die Funktionalität der Brennstoffzelle 2 bzw. des Brennstoffzellensystems von untergeordneter Bedeutung, sodass dieser Aufbau nur sehr rudimentär dargestellt und im Nachfolgenden nicht näher beschrieben ist. Im Bereich des Ventils 9 und/oder auch am anderen Ende des Druckgasspeichers 8 ist es dabei üblich, ein in der Darstellung der 1 nicht erkennbares Sicherheitsventil 10 vorzusehen, welches typischerweise als thermisch auslösendes Sicherheitsventil 10 ausgebildet ist. Es wird häufig auch mit der Abkürzung TPRD des englischen Begriffs Thermal Activated Pressure Release Device bezeichnet.
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Die Funktionsweise des oder der hier eingesetzten thermisch auslösenden Sicherheitsventile 10 ist anhand der nachfolgenden Figuren nun beispielhaft dargestellt. In der Darstellung der 2 ist der für die Funktion des thermischen Sicherheitsventils 10 relevante Aufbau näher dargestellt. Das thermische Sicherheitsventil 10 verfügt dabei über eine Abblasöffnung 11, welche als Leitungselement beispielsweise in einem mit 12 bezeichneten Ventilkörper ausgebildet ist. Im Querschnitt der Abblasöffnung 11 ist dabei ein Stopfen 13 angeordnet, welcher von einem Auslöseelement 14 in seiner Position gehalten wird und den Querschnitt der Abblasöffnung 11 entsprechend abdichtet. Der Ventilkörper 12 weist außerdem Durchbrüche 15 auf, durch welche Gas über die Abblasöffnung 11 in die das Sicherheitsventil 10 umgebende Umgebung abströmen kann, falls der Stopfen 13 aus dem Querschnitt der Abblasöffnung 11 herausbewegt wird, was durch den nachfolgend detailliert beschriebenen Ablauf möglich wird.
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Das Auslöselement 14 ist aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildet. Ein solches Formgedächtnismaterial kann beispielsweise ein thermoplastisches Polyurethan oder eine metallische Legierung, insbesondere auf der Basis von Nickel und Titan, sein. Ein sehr verbreitetes Formgedächtnismaterial ist dabei die metallische Legierung Nitinol auf der Basis von Nickel und Titan. Die Eigenschaften eines solchen Formgedächtnismaterials sind nun die, dass es in Abhängigkeit seiner Temperatur seine Form in vorbestimmter Art ändert. Für den hier dargestellten Aufbau ist dabei ein Formgedächtnismaterial mit einem sogenannten Einweg-Memoryeffekt ausreichend, welches bei einer Erhöhung seiner Temperatur seine Form einmalig – irreversibel – wechselt. In der Darstellung der 3 ist ein Auslöseelement 14 aus einem solchen Material dargestellt. In dem oberen Teil a) der 3 ist dabei das Formgedächtnismaterial bzw. das aus ihm hergestellte Auslöseelement 14 in einer ersten Geometrie zu sehen. Diese Geometrie wird über eine Wärmebehandlung in dem Formgedächtnismaterial bzw. dem Auslöseelement 14 eingespeichert. Anschließend wird das Material in die in der 3b) unten dargestellte zweite Geometrie umgeformt. Diese zweite Geometrie ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechend höher und schlanker. Diese Geometrie des Auslöseelements 14 entspricht dabei der in der Darstellung der 2 erkennbaren Geometrie. In dieser Geometrie hält das Auslöseelement 14 den Stopfen 13 sicher und zuverlässig in der Abblasöffnung 11. Kommt es nun zu einer Erhöhung der Temperatur im Bereich des Sicherheitsventils 10, beispielsweise durch einen Brand, welcher insbesondere durch einen Unfall des Fahrzeugs 1 ausgelost sein kann, dann soll das Sicherheitsventil 10 ansprechen und der Druck in dem Druckgasbehälter 8 soll sich abbauen, bevor er so hoch wird, dass der Druckgasbehälter 8 explodieren könnte.
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In diesem Fall wird dann typischerweise eine Temperatur erreicht, welche oberhalb der Grenztemperatur des Formgedächtnismaterials des Auslöseelements 14 liegt. Dieses nimmt dann wieder die ursprüngliche, in der Darstellung der 3a gezeigte Form ein. Dies ist in der Darstellung der 4 beispielhaft angedeutet. In dieser der Darstellung in 3a) entsprechenden Geometrie wird der Stopfen 13 freigegeben und nicht in seiner ersten in 2 dargestellten Position gehalten. Er wird vielmehr durch den Druck des Gases in dem Druckgasbehälter 8 aus der Abblasöffnung 10 bewegt, wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist. Entlang der in 4 eingezeichneten Pfeile kann das Gas aus dem Inneren des Druckgasbehälters 8 dann abströmen, wodurch sich der Druck in dem Druckgasbehälter 8 entsprechend abbaut. Ein sehr sicherer und zuverlässiger Aufbau wird so erzielt, welcher ab einer bestimmten Grenztemperatur den Stopfen 13 freigibt und so das Abströmen des Gases ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Ein Kunststoff, der sich erinnert”, Jürgen Hättig, Wolfgang Brauer, Thorsten Pretsch, Der Konstrukteur 4/2013, Seiten 92 ff. [0009]
